CARTILLA EDUCATIVA PARA
DISEÑO MECATRÓNICO DE ROBOT MINISUMO
Elementos Generales de Elaboración Modelamiento 3D Mecánica Electrónica Programación
Bogotá - Colombia - 2021 - TEINCO
MINISUMO
Presentación
La presente cartilla muestra al estudiante del ciclo propedéutico técnico profesional en mantenimiento de sistemas mecatrónicos de la facultad en ingeniería mecatrónica de TEINCO, los pasos generales más importantes a tener en cuenta para la elaboración de un robot Minisumo para competencias internas o externas a la institución, teniendo en cuenta los parámetros de: · Modelamiento 3D · Mecánica · Electrónica · Programación
Educación STEM
Mediante la implementación de los conocimientos adquiridos en las materias vistas durante el ciclo cursado buscando afianzar habilidades STEM durante la elaboración de su propio robot.
Agradecimientos
Un agradecimiento a los docentes que durante el proceso de investigación, elaboración del robot SWL - 918 e implementación y muestra en torneos externos e internos a la institución fortalecieron nuestros conocimientos y experiencia para poder realizar esta cartilla.
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MINISUMO
Introducción El robot que se mostrará como ejemplo para la implementación de los conceptos expuestos en esta cartilla se inició en septiembre de 2018 como aplicación de los conocimientos adquiridos por los autores de la cartilla en ese año al cursar el ciclo de técnico profesional en mantenimiento de sistemas mecatrónicos, notando que a través de un proyecto aparentemente básico se podían aplicar muchos de los conocimientos adquiridos durante la carrera, además fortaleciendo habilidades conocimientos mediante la práctica y experiencias durante la elaboración del robot Minisumo. Es por esto que esta cartilla busca compartir esos conocimientos y experiencias mostrando el proceso de elaboración de un robot Minisumo desde la etapa de investigación hasta elaboración del montaje y prueba en competencia, así mismo, en la parte final se explica a grandes rasgos la conexión que tiene este tipo de proyecto con los campos STEM, su importancia y las habilidades a fortalecer, recopilando e implementando los conocimientos adquiridos durante la carrera. Para esto se tendrá en cuenta la malla curricular de los primeros 4 semestres de estudio. Esta cartilla va dirigida a los estudiantes de los primeros semestres en la facultad de ingeniería mecatrónica para que comprendan las ventajas prácticas que tiene este tipo de proyectos y se animen a elaborar sus propios robots de competencia en la categoría de Minisumo.
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MINISUMO
Competencia Minisumo Descripción
"La Categoría de “Mini - Sumo Autónomo 500 g” es una lucha entre dos robots autónomos que se realiza sobre un área de combate (también denominada Ring o Dhoyo, en este caso de madera) y consiste en lograr que el robot oponente se salga del área de combate en un tiempo máximo de 3 min." Runibot. (2020). Reglamento Robot Mini - Sumo. Como ejemplo se muestra la descripción de una competencia en la categoría de robot, Minisumo dada por RUNIBOT, organizadores en competencias de robótica con una importante trayectoria en este tipo de encuentros en Colombia, pero es importante aclarar que los reglamentos pueden tener variaciones dependiendo de los mismos organizadores. Esta cartilla no busca enfocarse en un único reglamento, por lo que el estudiante que diseñe su robot Minisumo debe identificar el tipo de competencia con su respectivo reglamento para poder determinar los parámetros del diseño a realizar.
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ÍNDICE
02
Presentación
Componentes Electrónicos
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Diseño Mecánico
04
Diseño de Programación
Introducción
Competencia Minusumo
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Diagrama de Flujo
08
Investigación
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Proceso de Elaboración
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Diseño de Modelo 3D
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Robot Minisumo terminado
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STEM
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Ciencia / Tenología
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Ingeniería / Matemática
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Equipo de Trabajo
Diseño Electrónico
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Diagrama de Flujo Este diagrama de flujo muestra las asignaturas relacionadas con cada una de las áreas que elaborarán para el diseño mecatrónico de un robot Minisumo de competencia.
ETAPA # 1 6
ETAPA # 2
ETAPA # 3
ETAPA # 4
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Investigación El estudiante puede enfocar la asignatura de introducción a la mecatrónica para determinar referentes de diseños en robots minisumo que se consigan en el mercado, como ejemplo los siguientes diseños:
Concepto # 1 Rueda para Minisumo de goma. Sensores infrarrojos analógicos. Motorreductor 50:1. Estructura estándar (comercial).
Concepto # 2 Rueda grande plástica. Sensor ultrasónico. Motorreductores genéricos. Estructura circular.
Concepto # 3 Rueda lisa. Sensores infrarrojos digitales. Motorreductor 50:1. Estructura innovadora de doble cuchilla.
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A continuación se presentan las tablas correspondientes a cada concepto de diseño investigado, con sus características específicas en sensores, motores, ruedas y estructura. En las tablas también se da una valoración por componente para seleccionar los que mejor se ajusten al diseño en desarrollo, y se da un breve argumento del por qué se asigna dicha valoración.
Concepto # 1
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Concepto # 2
Concepto # 3
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En las siguientes tablas no se determinará el promedio de valoración debido a que no se está seleccionando un concepto con varios componentes contenidos en él, sino que se muestran componentes con características diferentes entre sí para seleccionar uno solo he incluirlo teniendo en cuenta las características que mejor se ajusten al diseño del robot.
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Proceso de Elaboración
Diseño de Programación
Diseño de Modelo 3D 12
Diseño Electrónico
Diseño Mecánico 13
Diseño de Modelo 3D Posterior a la investigación se empieza a avanzar en la elaboración del robot, en este punto se comenzará con el diseño de la estructura y para ello se implementará de lo aprendido en la asignatura dibujo técnico asistido por PC y el manejo adecuado del programa SolidWorks para el modelamiento 3D de la estructura del robot, como también los componentes que este debe tener en su interior.
Como ejemplo está en la imagen el diseño de la estructura que crearon los autores de la cartilla buscando dar una forma piramidal y en su parte superior una cubierta en forma de domo que se acopla a la estructura principal por su forma tipo código a los costados. Este robot en la parte interna de su diseño cuenta con cuatro motorreductores, cada uno con su respectiva rueda para mayor potencia, pero los motores se especificarán en el apartado del diseño mecánico, sin embargo es importante tener en cuenta la cantidad de motores en este punto como el tamaño de los demás componentes.
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En la siguiente imagen se muestra el modelo 3D, con la opción para cambio de material que tiene el programa SolidWorks, se colocó una textura transparente a la estructura principal para poder observar la distribución de los componentes utilizados en este diseño.
A continuación se puede observar el plano con las tres vistas (superior, frontal y lateral) que tienen la acotación de las medidas generales y vista isométrica del diseño.
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Los autores idearon en el diseño, la distribución de los componentes en dos grandes grupos: CONTROL: En la parte superior del robot. POTENCIA: En la parte inferior del robot.
CONTROL
POTENCIA
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Diseño Electrónico Para el diseño electrónico se realiza el diagrama esquemático junto a la simulación del circuito mediante el programa Proteus, este programa se utiliza en la asignatura de electrónica digital y electiva 1 con este programa se podrá comprender el funcionamiento de los componentes del robot Minisumo con la simulación de los mismos, dando mayor claridad a las conexiones necesarias desde el microcontrolador o embebido hasta los sensores y motores.
En la imagen de ejemplo se pueden observar las conexiones del embebido que en este caso es un Arduino nano, también se adiciona el controlador L298N para los motores (cuatro motores en este robot), cuatro sensores de piso y dos sensores de proximidad (sensores digitales en este robot). También es importante el tipo de batería que se vaya a colocar en el robot para un adecuado funcionamiento, en este caso se utiliza una batería doble celda de 7.4 v con 2.2 Amp, a continuación los componentes modelados en 3D.
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Componentes Electrónicos
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En esta parte se encuentra una tabla con los componentes que se pueden utilizar para el funcionamiento del robot Minisumo junto a una breve descripción.
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Diseño Mecánico Para el diseño mecánico lo más importante es el tipo de motores o motorreductores, su torque, su voltaje y amperaje, también el tipo de ruedas, en este robot se utilizan 4 motorreductores, cada uno con rueda lisa porque estas se adhieren mejor en la pista de competencia lo cual dificulta al robot oponente que empuje el robot fuera de la pista.
Dentro del diseño se puede observar en este caso una pieza adicional, esta hace la función de suspensión y amortiguador para evitar que las ruedas se toquen entre sí mientras estén en movimiento y reduce la vibración dándoles una mayor estabilidad dentro del ensamble.
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Diseño de Programación Al momento de realizar la programación se debe escoger el entorno de programación de acuerdo al lenguaje que se utilice en el microcontrolador o embebido, en este caso se utiliza un Arduino nano el cual tiene su propio entorno de programación con lenguaje processing basado en c++. La estructura del código debe enfocarse en los requerimientos del robot.
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En esta página se dará un breve ejemplo de programación para el robot en entorno de desarrollo Arduino. Este primer recuadro muestra la asignación de variables y los respectivos pines asignados en el embebido utilizado.
Este segundo recuadro muestra la asignación de salidas para los motores y un led que indicará cuando el robot esté encendido. Por último un tiempo de seguridad que dura 5 segundos (5000 milisegundos) para realizar la acción de encendido.
Este tercer recuadro muestra la secuencia de movimiento para el robot dependiendo de la prioridad que tendrán los sensores en el código, en este caso la prioridad es para los sensores infrarrojos Sharp para el seguimiento del robot oponente, y en la parte inferior están asignados los sensores de línea para que el robot se mantenga en la pista.
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En este cuarto recuadro se asigna la lectura de los sensores en el código.
Por último en este recuadro se indica las secuencias de activación de los motores para generar el movimiento del robot.
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En la estructura del código, de ser necesario y depende del reglamento en competencia se debe tener un bloque para el módulo de encendido. Algunos reglamentos solo piden el encendido por Delay.
El robot de esta cartilla en una competencia debió iniciar con la indicación del juez porque el otro robot tenía módulo de encendido.
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Robot MiniSumo Terminado
En esta imagen se puede observar el robot ya terminado con todas las piezas impresas en 3D. En la parte inferior se hace la impresión 3D de lo que sería la hoja metálica o cuchilla debido al alto costo al hacerla en trabajo metalúrgico, sin embargo, aunque se cambió el acero por el metal, no se presentaron inconvenientes durante la competencia, resistiendo la pieza todo tipo de impactos.
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En esta imagen se puede observar a uno de los integrantes del grupo configurando y revisando que todas las partes estén en óptimas condiciones para el buen funcionamiento del robot Minisumo previo a una competencia.
En esta imagen se puede observar a uno de los integrantes del grupo preparando el robot para competir con el juez indicando las reglas y preparando la activación del robot adversario desde un control a distancia para comenzar la competición entre los dos robots Minisumo.
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STEM “La educación STEM es un enfoque interdisciplinario al aprendizaje que remueve las barreras tradicionales de las cuatro disciplinas (Ciencias-Tecnología-Ingeniería-Matemáticas) [e integra en sus actividades todas las áreas del currículo], y las conecta con el mundo real con experiencias rigurosas y relevantes para los estudiantes.” (Vásquez, Sneider, Comer, 2013).
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Wilmer Hernando Jiménez Barrios David Santiago Méndez Gaitán Luis Felipe Alfonso Enciso
MINISUMO
Equipo de Trabajo
Estudiantes del ciclo propedéutico profesional en ingeniería mecatrónica en TEINCO facultad de ingeniería mecatrónica jornada nocturna. Bogotá - Colombia 2021
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Bogotá - Colombia - 2021 - TEINCO